鄭鐵 孫建偉 李一鑫 杜銳 果莉

摘 要：由于溫室內(nèi)農(nóng)田灌溉環(huán)境的特殊性，灌溉設(shè)備應(yīng)不僅可對(duì)農(nóng)作物適時(shí)、適量的灌溉，而且更要無阻礙的在溫室內(nèi)自由移動(dòng)。若在溫室內(nèi)采用有線信息傳輸，成本較高且線路較為復(fù)雜。故該文闡述的是一種基于無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視及控制的智能噴灌系統(tǒng)。基于無線通信技術(shù)，用戶在系統(tǒng)上位機(jī)界面中，不僅可以對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)視，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)灌溉平臺(tái)工作的實(shí)時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：溫室灌溉 實(shí)時(shí)監(jiān)控 農(nóng)作物 無線通信

中圖分類號(hào)：S62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（b）-0018-02

在我國(guó)溫室內(nèi)農(nóng)作物種植過程中，大部分農(nóng)戶仍采用地面灌溉的方式，因傳統(tǒng)的灌溉設(shè)備比較落后及各種人為因素，在灌溉中水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。為應(yīng)對(duì)溫室內(nèi)的特殊環(huán)境，提高水資源的實(shí)際利用率，一套適用于溫室棚區(qū)的多功能噴灌系統(tǒng)顯得尤為重要。因而該文所闡述的系統(tǒng)就是針對(duì)這一問題而設(shè)計(jì)的一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的可視化智能噴灌控制系統(tǒng)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)為具有上位機(jī)與下位機(jī)共同控制的棚室內(nèi)無線智能監(jiān)控噴灌系統(tǒng)，整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其中上位機(jī)為人機(jī)交互良好的可實(shí)時(shí)觀察溫室內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況及控制灌溉系統(tǒng)的界面。下位機(jī)是由主控制器、無線模塊、電磁閥部分、流量監(jiān)測(cè)部分及攝像頭等多部分組成的可移動(dòng)平臺(tái)。攝像頭通過wifi方式與上位機(jī)相連，將采集溫室內(nèi)實(shí)況傳至上位機(jī)，便于農(nóng)戶根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況判斷是否需要灌溉，若需灌溉則通過無線模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)噴灌系統(tǒng)的控制。當(dāng)下位機(jī)完成一次灌溉后，以無線通信方式將灌溉的流量信息傳遞至上位機(jī)，以便于農(nóng)戶對(duì)是否需要繼續(xù)灌溉進(jìn)行分析、判斷。

2 系統(tǒng)材料與設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)整體控制部分參照可編程自動(dòng)化控制器理念，基于單片機(jī)系統(tǒng)，通過定制并可不斷優(yōu)化的灌溉管理系統(tǒng)，結(jié)合可變的灌溉對(duì)象，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)無線遙控噴灌平臺(tái)。主要由遙控接收裝置及其安裝于自走式澆水機(jī)上的電磁閥和液位監(jiān)測(cè)裝置組成。液位監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到的單位時(shí)間流量用于控制系統(tǒng)按照時(shí)間啟動(dòng)或關(guān)閉灌溉泵。系統(tǒng)采用無線遙控發(fā)射裝置，各組遙控編碼分別連接至受微機(jī)控制的繼電器組合中，可進(jìn)行編程發(fā)射無線遙控信號(hào)。接收采用與其配套使用的接收模塊，該模塊接收系統(tǒng)發(fā)射的無線開關(guān)信號(hào)后，控制電磁閥以一定的邏輯時(shí)序開啟或關(guān)閉。從而解決下位機(jī)平臺(tái)布線繁瑣的問題，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)遠(yuǎn)程控制。

2.1.1 控制器

在本下位機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)控制器為下位機(jī)的核心處理機(jī)構(gòu)?？刂破髫?fù)責(zé)根據(jù)無線模塊接收到的數(shù)據(jù)對(duì)電磁閥、液位監(jiān)測(cè)裝置及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等裝置進(jìn)行控制。

下位機(jī)平臺(tái)的控制器采用的STC12LE5A60S2芯片是下位機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，它和以往的STC-51單片機(jī)的指令是相互兼容的，但其有著STC-51單片機(jī)8～12倍的運(yùn)行速度。此外，其低消耗和強(qiáng)抗干擾功能等優(yōu)勢(shì)更符合該系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)的要求。

2.1.2 攝像頭

系統(tǒng)采用RW-720s型攝像頭，在此采用基于wifi的數(shù)據(jù)傳輸方式，再通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，以便于在上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物種植情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1.3 無線通信

系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)之間采用無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)采用YL-100IL小功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行無線通信。它的功耗低，成本低，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。便于中小規(guī)模溫室內(nèi)的精確控制。無線通信電路圖如圖2所示。

2.1.4 流量監(jiān)測(cè)

下位機(jī)平臺(tái)通過無線通信接收到噴灌指令后，經(jīng)繼電器作用后對(duì)農(nóng)作物噴灌。在此流量計(jì)量采用SEN-HZ21WA霍爾水流量傳感器。它耐寒耐熱性能良好，最大承受水壓為1.75 MPa，具有良好的經(jīng)濟(jì)性且計(jì)量相對(duì)準(zhǔn)確可滿足系統(tǒng)要求。

2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)采用Microsoft公司推出的Microsoft Visual C++，它是面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。上位機(jī)具有人機(jī)交互良好的界面，其可分為多個(gè)模塊，各模塊間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系并統(tǒng)一于主界面，具有很強(qiáng)的伸縮性和擴(kuò)展性。上位機(jī)將主要精力集中于實(shí)時(shí)監(jiān)控的可視化界面及灌溉決策和邏輯控制部分，從而使受控對(duì)象和參數(shù)更新較為靈活；其詳細(xì)記錄了灌溉過程中每一次、每一天的數(shù)據(jù)，便于日后統(tǒng)計(jì)分析不同作物最佳需水需肥量及灌溉模式。上位機(jī)工作流程圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

灌溉精度測(cè)試如表1。

由表1可以看出該系統(tǒng)在不同室溫環(huán)境下，噴灌量的測(cè)量誤差精度均在3%的范圍內(nèi)，可滿足對(duì)農(nóng)作物的噴灌需求。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有較高的精準(zhǔn)性及穩(wěn)定性，能滿足對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物長(zhǎng)時(shí)間灌溉、監(jiān)控的實(shí)際需求，對(duì)節(jié)水灌溉的推廣及提高農(nóng)戶的工作效率具有重要意義。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)為一個(gè)在溫室棚區(qū)內(nèi)可自由移動(dòng)、便于控制、集噴灌、噴藥、施肥于一體的田間遙控噴灌系統(tǒng)。使用者無需直接到達(dá)溫室內(nèi)，便可直接、方便地對(duì)溫室內(nèi)的灌溉平臺(tái)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的實(shí)時(shí)觀察及定量地噴灌、施肥等。該系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，并對(duì)農(nóng)業(yè)水資源合理利用及節(jié)水灌溉的推廣具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳水平.溫室自動(dòng)噴灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[2] 李合青，來智勇，張?chǎng)?基于ZigBee的溫室智能灌溉執(zhí)行子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（1）：95-98.

[3] 李秀娟.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[4] 徐杰.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能噴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 馮友兵.節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由策略設(shè)計(jì)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006.